1：不同「目標效果」因子與不同「先備知識」因子之交互作

第一章 緒論

本章主要共分為八節，第一節為研究背景與動機，第二節為名詞 釋義，第三節為研究目的，第四節為待答問題，第五節為研究假設，

第六節為研究限制，第七節為研究步驟，第八節為論文結構。

第一節 研究背景與動機

認知負荷理論（cognitive load theory）在認知心理學領域裡，尤 其近十年來 Sweller、Pass、Burns、Miller 等多位學者將其觀念擴充，

並應用在教育研究上，使得該理論日益受到重視。認知負荷理論是針 對如何設計教學方法或教學教材，以期降低學習者的心智負荷，而提 高學習成效。

在認知負荷理論應用在教學設計上有者七種效果設計模式，諸如 開放目標效果（ goal-free effect、nonspecific goal）、示例效果（ worked example）、完成問題效果（completion problem effect）、分散注意力效 果 （ split-attention effect）、形式效果（modality effect）、重複效果

（redundancy effect）與變化效果（variability effect）。而在開放目標 效果上，Sweller 在 1988 年針對數學代數問題解決研究，指出傳統的 目標導向的傳統問題解決方法太強調解題技巧，學習者必須使用大量 的認知記憶能力，導致沒有多餘的認知能力來從事學習與獲得基模，

而造成認知負荷。故 Sweller 在教學設計上強調開放目標設計取代特 定目標效果（specific goal）設計。

Miller 等人（ 1999）透過 EFH-Soar 輔助教學軟體在電磁學課程的 研究發現開放目標效果（no goal）的教材教法設計模式，強調「外在

認知負荷愈低，其學習成效愈高」，然卻因強調「增加外在認知負荷」

特定目標效果（specific goal）與 Sweller 持相反意見，進而提出目標 適切理論（ appropriateness goal theory）教材教法設計效果。此理論強 調教學設計只要符合「教學意義」以及幫助學習者在完整地建構基 模，雖會增加負荷量，但學習成效亦會提高。此論點與 Pass 等人（2003）

提出增生認知負荷概念相似，即透過合適地教材教法設計以吸引學習 者專注於學習內容的認知過程，進而提高學習成效。因此本研究以學 習者的先備知識為自變項，探討在不同先備知識情況下，以開放目標 與特定目標兩種教材教法模式的學習成效。

同時 Van Merrienboer（2003）指出當初學者接觸新的學習內容時，

如果沒有足夠基模可以提供，便會產生較高的認知負荷，而佔據較多 工作記憶的空間。此時就該透過適當的鷹架協助，以降低外在認知負 荷，並有效地建構新的基模。此概念與 Miller .等人的 EFH—Soar 特 定目標效果概念相似，可幫助學習者更完整地建構基模。

因此認知負荷來源有學習者先備知識不足（基模不足）與教材設 計方式的差異性。在教材設計上 Sweller 強調捨棄特定目標效果設 計，而 Miller 卻強調特定目標效果雖會增加認知負荷，同時 Van Merrienboer 提出的鷹架輔助亦會增加認知負荷，但都能幫助學習者建 構基模，以提高學習成效。另外學習者的先備知識亦會影響學習的認 知負荷，進而影響學習成效。

此外，國內有關教材教法設計的研究，大多為調查研究，尚未有 從認知負荷理論角度切入。因此導致我國教科書都是統一的格式，而 尚未出現以不同先備知識為基礎，實施不同教材教法，而將用不同的 教科書以作適才適性的教學。

綜合上述背景與動機，本研究以國小高年級中自然與生活科技

「槓桿」單元為例，並以認知負荷為基礎設計教材，探討不同目標效 果對不同先備能力學習者所產生的學習成效，並進一步提出「適性認 知」為基礎的教材教法設計模式。

第二節 名詞釋義

本研究相關名詞解釋如下：

ㄧ、認知負荷論(cognitive load theory)

Sweller 的認知負荷理論，認為人類認知架構有四項基本假設。茲 述如下：

(一)、工作記憶的容量是有限的。

(二 )、 長 期 記 憶 指 保 持 訊 息 長 期 不 忘 的 永 久 記 憶 （ permanent memory）。

(三)、長期記憶中之內容主要以基模的型態儲存。

(四)、基模運作自動化（schema automation）是基模建構重要過程。

Pass(1992)指出認知負荷是一種多向度概念，它包含兩種成分：

一是因個體對於學習內容所感受困難度的「心智努力」，二因是工作 任務太過困難或外在環境所造成的「心智負荷」。而認知負荷乃是學 習者的心智努力和心智負荷的總和。

綜合以上學者所述，可知「認知負荷」是工作任務或環境對個體 的心智努力和心智負荷產生過多資訊量，導致工作記憶區無足夠資源 處理資訊量，進而導致個體心理與生理的負面情緒。

二、開放目標效果(no-goal、nonspecific goal、go-free effect)

Sweller(1988、1998)與 Miller et al. (1999)針對認知負荷理論在教 學設計研究，指出開放性目標效果能讓學習者不受到限制；可以多重 表達自己思考過程的任一步驟和成果，以降低外在認知負荷，提升學

習成效。

三、特定目標效果(specific goal effect)

Miller(1999)在目標適切理論(goal appropriateness theory)中強調特 定目標效果若能符合「教育意義」且能提供學習者基模上的建構 (schema construction)機會，則雖特定目標會增加外生認知負荷量，而 學習成效會比傳統目標導向學習（means-end analysis）、無教育意義 的活動以及被動學習(game-oriented, passive learning)的學習成效好。

本研究針對國小高年級自然與生活科技中「簡單機械」單元中的

「槓桿」單元之教材，針對強調原理的單元諸如「支點」、「施力」、「抗 力」、「施力臂」、「抗力臂」、「第一類槓桿」、「第二類槓桿」、「第三類 槓桿」等觀念使用 Miller 特定目標效果設計出可幫助學習者建構基模 的課程教材。

四、先備知識(prior knowledge)

從奧蘇貝爾（Ausubel）的有意義學習論（ meaningful learning）觀 點，基模為學習者的先備知識；基模愈充足，學習才有意義。而基模 是個人對某種人、事、物的一套有組織的信念和感受，包含對特定對 象的知識與具體感受。

目前國內的教科書是採一綱多本，因此有許多版本教科書在內容 排序上並未有一致現象，故本研究基模代表學習者在「簡單機械」單 元中「槓桿原理」的先備知識。但先備知識除「槓桿原理」外，亦有 其他影響學習的基模因素，故在先備知識能力分組編組中，係依據「槓 桿原理測驗」成績和國小五年級上學期自然與生活科技總成績的平均 分數，以後 27％為「低先備知識」學習組，前 27％「高先備知識」

學習組，其餘 46％為「中先備知識」學習組。

五、槓桿原理(lever principle)

本研究的「槓桿原理」是參考現行九年一貫自然與生活科技課 程，並針對「簡單機械」中「槓桿」機械概念的自編教材。而「槓桿」

觀念含有「支點」、「施力」、「抗力」、「施力臂」、「抗力臂」、「第一類 槓桿」、「第二類槓桿」、「第三類槓桿」等觀念。

而本研究「槓桿原理」學習成效是透過「槓桿原理測驗」測量。

「槓桿原理測驗」分別為 A 卷與 B 卷，且題目有選擇題與題組題兩 大類。A 卷題目選擇 7 題和題組 2 題，總共 9 大題；B 卷題目選擇 13 題和題組 5 題，總共 18 大題。而 A 卷是針對實驗先備知識的「前測」； B 卷是針對實驗「後測」學習成效。「槓桿原理測驗」分數最高 100 分，最低為 0 分，且分數愈高代表對槓桿原理了解愈好；分數愈低代 表對槓桿原理愈差。

六、問題解決態度

本研究「問題解決態度」是學習者經過不同目標效果學習，不同 能力（先備知識）學習者其之後的問題解決態度是否有不同的差異。

本研究問題解決態度是以陳怡琪(2001)依據 Heppner & Petersen 在 1992 所編製的 The Problem Solving Inventory (PSI)內容，翻譯成適 合於國小高年級學習者用語之中文版問題解決量表。此量表是六個尺 度，分別「非常同意」、「同意」、「有點同意」、「有點不同意」、「不同 意」、「非常不同意」，並累加總分可以看出受試者的問題解決態度，

且 PSI 在分數上顯示愈低表示解決問題能力愈好。然為方便統計考 驗，本研究將 PSI 的分數轉換為分數愈高表示問題解決能力愈好。

第三節 研究目的

一、探討不同目標效果與不同先備知識對學習成效的交互作用。

二、探討不同先備知識能力對槓桿原理學習的成效影響。

三、探討不同目標效果對槓桿原理學習成效之影響。

四、探討目標效果教材教法對學習者問題解決態度的影響。

第四節 待答問題

針對研究目的一的待答問題如下：

問題 1-1：不同目標效果與不同先備知識對「槓桿原理」學習成 效的交互作用多大？

針對研究目的二的待答問題如下：

問題 2-1：在高先備知識組，「開放目標效果」與「特定目標效果」

教材教法對「槓桿原理」學習成效的影響如何？

問題 2-2：在中先備知識組，「開放目標效果」與「特定目標效果」

教材教法對「槓桿原理」學習成效的影響如何？

問題 2-3：在低先備知識組，「開放目標效果」與「特定目標效果」

教材教法對「槓桿原理」學習成效的影響如何？

針對研究目的三的待答問題如下：

問題 3-1：在開放目標學習組，「高先備知識」、「中先備知識」與

「低先備知識」等不同背景對「槓桿原理」學習成效影響如何？

問題 3-2：在特定目標學習組，「高先備知識」、「中先備知識」與

「低先備知識」等不同背景對「槓桿原理」學習成效影響如何？

針對研究目的四的待答問題如下：

問題 4-1：「開放目標效果」與「特定目標效果」的教材教法對培 養學生「問題解決態度」的成效差異為何？

問題 4-2：「開放目標效果」教材教法對提升學習者「問題解決態 度」的成效如何？

問題 4-3：「特定目標效果」教材教法對提升學習者「問題解決態 度」的成效如何？

第五節 研究假設

根據以上研究目的與待答問題，以下為本研究之提出 9 項虛無假 設，分述如下：

根據研究目的一，本研究虛無假設如下：

H

1：不同「目標效果」因子與不同「先備知識」因子之交互作

根據研究目的二，本研究虛無假設如下：

H

2-1：在高先備知識組，

教材教法對「槓桿原理」學習成效無顯著差異。

H

2-2：在中先備知識組，

教材教法對「槓桿原理」學習成效無顯著差異。

H

2-3：在低先備知識組，

教材教法對「槓桿原理」學習成效無顯著差異。

根據研究目的三，本研究虛無假設如下：

H

3-1：在開放目標學習組，

H

3-2：在特定目標學習組，

根據研究目的四，本研究虛無假設如下：

H

4-1：

「問題解決態度」的成效無顯著差異。

H

4-2：

H

4-3：

第六節 研究限制

壹、 研究對象

本研究對象為國小高年級學生，研究結果不宜推論至其他母群。

本研究對象與 Miller 針對 Carnegie Mellon 大學生為對象不同，故所定 義先備知識程度不同，以致結論會有不同。

本研究受限於小學行政支援的困難，僅以兩班有效樣本共 60 人 作為實驗教學對象，故研究樣本數仍嫌不足。

? 、 研究工具

本研究所用「學習者學習單」原版設計為彩色版，但教學時改為 黑白版，故在圖片輸出時部份圖形有點呈現模糊，可能對教學效果有 所影響。

此外雖測驗工具與教材已經過試題分析與專家內容效度等考 驗。但有些部份用語太偏成人世界用語，可能對國小學童的文字理解 有所影響。

? 、 學習環境干擾

本研究之實驗教學雖以個別學習方式進行，然因學校環境設計為 團體性的座位安排，仍無法避免學習者間彼此的干擾。此外在實驗過 程中，亦無法避免學習者不認真學習、作答等問題發生。

第七節 研究步驟

針對研究目的，擬定研究步驟如圖 1-1，茲分述如下：

圖 1-1 研究步驟流程圖

ㄧ、文獻探討與分析

本研究首先根據文獻探討，分析認知負荷理論、目標適切理論與 訊息處理理論等，以確定研究之理論基礎。

二、經分析與歸納文獻後，確定研究主題。

三、擬定研究目的與待答問題。

四、設計槓桿原理之教材。

本研究參考九年一貫課程之南一版、康軒版、翰林版與牛頓版，

並配合認知負荷理論設計研究所需「槓桿原理」教材。再由專家會議 審查課程，並經修正後成為實驗教學欲用之自編「槓桿原理」教材。

六、教學活動設計

教學活動設計旨在設計實驗課程活動，例如「槓桿原理」系列的

「釣魚樂」活動，透過此活動可讓學習者了解槓桿原理的應用。

七、教材評量設計

教材評量設計是針對實驗活動所需總結性評量。根據槓桿原理教 材內容所設計試題，並經由試題分析如鑑別度、信度與效度的考驗，

而編成的「槓桿原理評量試卷」，以作為評量學習成效的工具。

八、實驗教學

為驗證認知負荷理論之應用成效，本研究以國小五年級學生共 60 人作為實驗教學的對象，實施六週的實驗教學。

九、資料分析

實驗教學後，對實驗樣本作學後測驗，並分析其學習成效與問題 解決態度能力。

十、撰寫研究報告

第八節 論文結構

本研究論文共分為五章，各章內容簡述如下：

第一章 緒論

說明本研究的背景與動機、名詞釋義、研究目的與待答問題、研 究假設、研究步驟、研究貢獻與論文結構。

第二章 文獻探討

針對訊息處理理論、基模理論、認知負荷理論、目標適切理論、

電腦樂高實施與相關研究文獻探討。

第三章 研究設計

說明本研究的研究架構、研究方法、研究工具與實驗流程設計。

第四章 資料分析與討論

將實驗成果的資料進行量化分析，驗證本研究假設。

第五章 結論與建議

將本論文研究成果加以整理，提出結論以及後續研究建議。